高速公路水平线形安全设计理论及应用
摘要：中国公路的最高设计速度为120km/h，最早出现在1951年的《公路工程技术标准（试验）》中。然而在过去的68年中，车辆性能、道路设计和施工技术得到了极大的改善。为了适应未来120km/h以上高速公路设计速度的发展需求，研究高速公路路线设计理论显得尤为迫切。因此，本文提出了高速公路的水平线形安全设计理论。首先，本文介绍了高速公路的定义、分类和建造方式以及不同等级适合的车辆。然后，限制直线的长度以减少驾驶疲劳。接下来，基于驾驶员的特征和正在运行的车辆的应力分析，计算出圆曲线的最小半径。最后，根据运行车辆的离心加速度、行驶时间和乘客的视觉特征，计算出过渡曲线的最小长度。计算和分析结果表明，高速公路的线性特征符合车辆的运行特性时，可以保证行驶的安全性。
关键词：高速公路；安全设计；水平对齐；圆曲线；设计速度
- 简介
高速公路是设计速度高于120km/h的高速公路。高速公路不同于普通高速公路。为了保证高速公路的安全运行，人行道要平整，路线要平整，设施要齐全。
中国公路的最高设计速度为120km/h，最早出现在1951年的《公路工程技术标准（试验）》中[1]。在过去的60多年中，车辆性能[2]、道路设计和施工技术得到了极大的改善[3]。最大设计速度不再符合现实的需要，发达国家一直在提高高速公路的速度限制[4]。例如，美国部分地区的最高时速限制为137km/h（85英里/小时）[5]，法国、瑞士和奥地利的最高时速限制为130km/h，意大利的最高时速限制为150km/h，德国的某些高速公路甚至没有速度限制[6]。但中国仍缺乏有关高于120km/h的高速公路设计速度有关的研究[7]，而且来自国外的研究也很少[8]。
截至2018年底，中国公路总里程已超过14万公里，连续9年位居世界第一，我们还建设了多个超级项目。例如，世界上最长的十座跨海大桥，其中五座属于中国，港珠澳大桥排名第一。2018年，中国汽车产量达到2808万辆，占全球8634万辆的32.52％。随着汽车技术的进步和道路建设技术的发展，有可能提高我国高速公路的设计速度并建设更高等级的高速公路。为了保证未来120km/h以上高速公路设计速度的可持续发展并适应其发展需求，研究高速公路水平线形设计理论具有重要的现实意义[9]。
2016年，我们首次提出了高速公路的概念[10]。2018年，中国开始建设第一条高速公路。中国正在建设的第一条高速公路从杭州延伸到宁波，并将在2022年杭州亚运会之前投入服务。这表明“高速公路”已进入工程实践。2019年，批准了从北京到雄安的自动驾驶车道高速公路。高速公路的发展远远超出了预期。因此，迫切需要与高速公路相关的研究。为了解决这一差距，我们研究了高速公路的可行性、安全性和经济性。
2016年，高速公路的可行性和必要性得到了证明。首先，提出了高速公路的概念，并对高速公路的技术等级进行了划分，然后证明了高速公路的可行性。最后，研究了高速公路发展的必要性，本文对此描述了一个广泛的蓝图[10]。2017年，从车辆技术条件和道路技术条件等方面论证了高速公路的可行性。同年，研究了高速公路的安全性和经济评价。从交通运营特征的角度研究了高速公路的通行能力。研究结果表明，基于自动驾驶技术的自动列车专用高速公路不仅可以提高高速公路的设计速度，而且可以提高高速公路的通行能力[11]。2018年，发布了基于旅行成本的高速公路经济评估。在分析普通高速公路和高速铁路的成本的基础上，本文估算了高速公路的成本。在此基础上，结合普通高速公路的建设成本和收费标准，对各级公路收费标准进行了估算。结果表明，高速公路出行具有一定的经济优势。2018年，发表了有关高速公路水平路线设计理论的论文。在对驱动力进行分析的基础上，根据离心加速度\运行时间和乘客的视觉特性，确定了圆弧的最小半径，并确定了缓和曲线的最小长度。结果表明，增加水平曲线的半径，减小垂直曲线的斜率，调整松弛曲线的设计参数，可以满足高速公路安全运行的要求[12]。2019年发布了基于旅行成本的高速公路环境和经济评估。在充分分析各种运输方式成本的基础上，本文对高速公路的建设和运营成本进行了估算[13]。
此外，在2018年，两位中国科学家陈科学家和徐科学家通过将强项、弱点、机会、威胁（SWOT）分析应用于在高速公路建设期间的外部环境的特征、优势和劣势、机会和威胁，为未来高速公路的建设和运营管理的发展提出了替代方案[14]。2019年，赵有超，毛红日，刘江东研究了高速公路的安全平面曲线半径。他们根据高速公路交通事故的研究提出了高速公路的安全要求，建立了障碍物识别模型，并计算了安全平面曲线半径，为研究高速公路及其平面曲线提供了依据[15]。
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